Bureaux performants, confortables sans clim: c'est possible!

Par Olivier GUILLEMOT- Directeur du BET POLENN et consultant certifié PassivHaus

Problématique

Avec l'avènement du Bâtiment Basse Consommation et les dernières évolutions de la réglementation thermique 2012, le développement des bâtiments passifs s'accroît progressivement, préparant la normalisation des bâtiments à énergie positive en 2020, voulue par le Grenelle de l’environnement.

Ces bâtiments de plus en plus isolés conservent la chaleur en hiver mais aussi en été : au-delà de la sobriété énergétique, la question du confort d'été doit donc apparaître au centre des réflexions de conception.

Le confort d'été ne peut plus se résumer à la mise en place d'une « clim », solution de facilité qui n’a pas que des avantages : consommations et coûts énergétiques réels et/ou réglementaires élevés, coûts d'entretien parfois encore supérieurs, impact environnemental des fluides frigorigènes non négligeable, régulation et diffusion du froid pas toujours à la hauteur des attentes, etc.

La climatisation (ou le rafraîchissement) est parfois très utile, voire indispensable au confort dans certains cas. Elle doit cependant intervenir uniquement dans le cadre d'une conception globale qui intègre tous les autres outils d'amélioration du confort d'été.

Dès aujourd’hui, on constate une évolution sensible des pratiques en termes de confort d’été. Une récente étude des permis de construire en 2012 (source : BATIM) met en évidence une baisse significative des surfaces de bureaux climatisés, passant de 73% pour 2011 à 43% en 2012.

La présente chronique s’intéresse donc à cette tendance de fond amorcé l’an dernier par les acteurs de la construction.

Dans ce billet nous mettons volontairement de côté le recours parfois nécessaire à la climatisation de locaux nécessitant des consignes de température et d’humidité spécifiques, dédiés à des process industriels ou tout autre usage spécifique (locaux informatiques par exemple).

Il s’agit donc de s’interroger sur le maintien d’une température acceptable dans des locaux de bureaux.


Mais d'où vient cette chaleur ?

L'origine des surchauffes en bureaux est multiple et globalement bien identifiée.
La chaleur présente dans les bâtiments de bureaux provient de différentes sources, par exemple :

• les apports solaires directs, principalement par les baies vitrées, qui varient au cours de la journée et de la saison,
• l'énergie apportée par le renouvellement d’air (chaud) venant de l’extérieur,
• les charges dissipées par les outils de bureautique (PC, imprimantes etc.) et par l'éclairage,
• les occupants eux-mêmes (on a plus chaud à 4 dans 20 m² qu’à 2), etc.

Ces deux dernières sources sont couramment regroupées sous le terme « charges internes » par les thermiciens.


En revanche, la notion d'apports ou de charges ne résume par le confort thermique. En effet, le confort va intégrer beaucoup d'autres paramètres qu'il est nécessaire de prendre en compte :

• l'impact des charges sur la température de l'air avec la notion d'inertie des matériaux par exemple,
• l'influence des températures de parois, de « paroi chaude », de rayonnement,
• les mouvements d'air,
• l'humidité et d'une manière générale la qualité de l'air intérieur,
• l’écart entre la température intérieure et extérieure (« prendre froid » en sortant d’un local trop frais par rapport à l’extérieur).

Une conception réussie de bâtiment de bureaux sans climatisation devra intégrer l'ensemble de ces notions : réduire les charges internes et les apports de chaleur pendant les périodes chaudes mais également limiter l'impact des charges inéluctables sur la température intérieure et prendre en compte les autres paramètres qui jouent sur le confort thermique.

L'amélioration du confort thermique en saison chaude peut reposer sur plusieurs principes. Cependant les solutions architecturales simples et intégrées doivent toujours être privilégiées par rapport aux solutions techniques qui nécessitent de l'entretien et des interventions humaines.

Réduire les apports solaires en été

Les apports solaires génèrent une grande part des besoins de climatisation : les bureaux sont de plus en plus vitrés, ouverts sur les quatre orientations, afin notamment de bénéficier d'un éclairage naturel important et de favoriser la transparence architecturale.

Cette conception représente des avantages certains : une très bonne luminosité généralement modulée par des stores intérieurs, des apports solaires en hiver qui permettent de réduire très fortement les besoins en chauffage, un confort de travail amélioré.

En revanche, elle conduit également à des surchauffes qui peuvent perdurer plusieurs semaines d’affilée si le temps est particulièrement ensoleillé.

Dans l’idéal, il semble donc raisonnable de privilégier pour les locaux de travail des ouvertures orientées au Nord, au Nord-Est ou à l’Est, orientations bénéficiant de peu d’apports solaires directs en été (Nord) ou des apports limités aux heures les plus fraîches du matin. Attention cependant à la notion d'heure légale et d'heure solaire : cette dernière varie selon la localisation et les corrections astronomiques. Il est ainsi nécessaire de retirer à l'heure légale de 1h30 à 2h environ selon le lieu, en France.

Pour les orientations au Sud : privilégier des casquettes horizontales profondes. La longueur et la hauteur par rapport au linteau doivent être déterminées en fonction des dimensions du vitrage, de l'orientation exacte et de la localisation, mais une profondeur de 80 cm est généralement un minimum.

Pour les orientations Est et Ouest : il faut protéger les fenêtres d’un rayonnement direct plutôt horizontal le matin à l’Est et l’après-midi à l’Ouest. Les casquettes horizontales superposées ou encore l’usage de brises soleil orientables (BSO) pourront être des solutions pertinentes. Si les façades du bâtiment sont protégées des vents par d’autres constructions par exemple, de la végétation ou des stores bannes extérieurs seront très efficaces. Le recours à des protections solaires végétales (arbres, pergolas végétalisées) est intéressant notamment avec des végétaux à feuilles caduques qui laisseront passer le rayonnement solaire en hiver.

En revanche, l’installation de rideaux intérieurs de type « screen », toujours pertinente pour limiter l’inconfort dû à l’éblouissement et moduler l'éclairage naturel, ne constitue pas une protection solaire efficace contre les surchauffes.

Ces recommandations seront, bien entendu, confrontées à la nécessité de favoriser les apports solaires gratuits en hiver : la conception de bureaux sobres en énergie et confortables en été nécessite donc un travail architectural et technique collaboratif approfondi.

Le recours à la Simulation Thermique Dynamique (STD) sur des outils reconnus et performants (Trnsys, Pléiades-Comfie, Design Builder, etc.) est souvent très adapté pour évaluer au mieux les équilibres entre performance d'hiver et confort en période chaude.

Casquettes horizontales superposées
(médiathèque de Saint-aignan de Grand Lieu, conception Hélène Houpert, Architecte ; énergéticien Polenn)

Privilégier les matériaux adaptés

Les matériaux utilisés dans la construction du bâtiment joueront un rôle primordial sur le confort, notamment ceux qui constitueront les premiers centimètres des parois intérieures. En effet, s'ils disposent d'une inertie importante, caractérisée notamment par les notions de diffusivité et d'effusivité thermique, ils permettront de lisser l'évolution de la température intérieure malgré des charges élevées.

Quelques exemples :

• murs béton ou brique + ITE (isolation thermique par l'extérieur),
• murs intérieurs-refends béton ou terre crue,
• fermacell en doublage,
• isolants à forte capacité thermique type fibre de bois ou ouate de cellulose, etc.

Des PCM (Phase Change Material), ou matériaux à changement de phase, sont également disponibles aujourd'hui pour ajouter de l'inertie aux bâtiments légers selon un principe différent basé sur la capacité du matériaux employé à changer de phase dans des plages de températures proches du confort thermique recherché.

La notion d'inertie n'est cependant pas la seule à prendre en compte dans le choix des matériaux. La qualité des menuiseries (rupteurs de ponts thermiques très performants, pose optimale, matériaux et couleur extérieure) ou encore la nature et la couleur des parois extérieures du bâtiment (plutôt claire pour éviter l’absorption de chaleur excessive) pourra également jouer un rôle très important dans le confort futur du bâtiment.


Rôle des espaces extérieurs

Les espaces extérieurs créent des microclimats localisés, surtout en milieu urbain ou dans les zones d’activités, qui peuvent être défavorables vis-à-vis du confort d'été : les revêtements de sol bitumés et sombres accumulent la chaleur et la restituent par rayonnement en fin de journée et la nuit. Il est donc intéressant de limiter les surfaces bitumées autour des bâtiments, de créer des espaces végétalisés, ombrés et en relation directe avec les bureaux.

Variation des paramètres décrivant les facteurs d’ambiances dans un tissu urbain
alternant “minéral” et “végétal” source ARENE, d’après Conception thermique de l’habitat

Ventilation naturelle maîtrisée…

A la maison, faire un courant d’air est un réflexe par temps chaud. Au bureau, il doit être possible de faire de même. Si le courant d’air ne réduit pas nécessairement la température de l’air mesurée au thermomètre, il contribue à réduire l’inconfort grâce au déplacement des masses d’air, à l'augmentation de la vitesse d'air au niveau de la peau et l'amélioration du refroidissement du corps (sudation). Les fenêtres doivent donc pouvoir s’ouvrir et les locaux être disposés de telle manière qu’un courant d’air puisse être réalisé. En revanche, si la température de l'air extérieur est très supérieure à la température intérieure, il est préférable de ne pas ouvrir les fenêtres et de créer ce courant d'air par un simple brassage de l'air intérieur : les ventilateurs de plafond sont souvent très efficaces mais de simples ventilateurs sur pieds peuvent totalement répondre au besoin.

En revanche, la ventilation naturelle doit rester maîtrisée : les infiltrations d'air par les défauts du bâtiment sont toujours préjudiciables pour le confort d'été comme pour la consommation énergétique d'hiver. Une bonne étanchéité à l'air des bâtiments représente ainsi un point de vigilance particulièrement important : le niveau passif (0,6 vol.h-1 sous 50 Pa) doit être visé.


…et ventilation mécanique

L'utilisation de ventilation mécanique, notamment par double flux, est quasi-systématique dans les bâtiments de bureaux. Elle permet de mieux contrôler et de moduler les débits selon le besoin.

Lorsque c’est possible, il conviendra d’implanter la prise d’air neuf au Nord ou dans un espace ombragé pendant les heures les plus chaudes pour limiter la température de l’air neuf introduit dans le bâtiment.

Contrairement à ce qui peut être mis en place en hiver dans le but d’économiser les consommations d’énergie pour le chauffage, il ne faut pas réduire les débits de ventilation la nuit ! Le renouvellement d’air contribue à évacuer une partie de la chaleur accumulée pendant la journée. Ainsi, les systèmes autonomes de modulation de débit, par détecteur de présence ou de qualité d'air directement sur les bouches par exemple doivent être utilisés avec précaution pour permettre malgré tout de maintenir un débit suffisant la nuit.

Il est également important de rappeler que le recours à la ventilation double-flux n’interdit pas d’ouvrir les fenêtres !

Qu'il s'agisse de ventilation naturelle ou mécanique, pour que l'évacuation de chaleur par le renouvellement d'air soit réellement efficace, il est pertinent de prévoir la possibilité d'une surventilation nocturne. Il s’agit d'augmenter les débits de ventilation des locaux la nuit afin d’évacuer la chaleur accumulée. Cette surventilation sera d'autant plus efficace que l'intérieur du bâtiment est constitué de matériaux à forte inertie pour stocker la fraîcheur de la nuit.

Les gaines de ventilation doivent ainsi être surdimensionnées ainsi que les CTA dans le cas de ventilation mécanique, pour assurer ce taux de renouvellement d’air plus élevé.


Et le puits canadien ?

Ou plutôt, puits provençal pour l’application en été.

En complément d’une ventilation double-flux, le recours au puits canadien peut être étudié : c’est une solution efficace qui permet de substituer à l’air neuf capté à l’extérieur, un air neuf qui a transité par des tubes enterrés entre 1,20 et 2 m de profondeur. Il bénéficie ainsi de l’inertie du sol et pénètre donc rafraîchi dans le bâtiment.

Le puits canadien peut s’implanter sous une aire de stationnement ou des espaces verts. Il existe également des versions de puits canadien « hydraulique » qui permettent de profiter de l'inertie du sol via un fluide intermédiaire sans les contraintes importantes (implantation, travaux lourds de VRD, traitement des condensats, etc.) de l'utilisation directe du vecteur air.

Puits canadien installé pour les bureaux de Géo Bretagne Sud à Vannes (Conception Polenn, architecte Yves Brasse)

Pas d’éclairage artificiel pendant la journée

La maîtrise de la chaleur dissipée par les équipements permet très logiquement de réduire les hausses de température et donc les inconforts pendant les périodes chaudes.

Il est facile de réduire les charges liées à l’éclairage en concevant des locaux disposant d’éclairage naturel et évitant de ce fait le recours à l’éclairage artificiel. L’utilisation d’éclairage en second jour pour les locaux aveugles est une solution à ne pas écarter.


Usage optimisé et judicieux des protections solaires

Le choix des protections solaires extérieures a un impact fort sur l’usage d’éclairage artificiel pendant la journée : par exemple, des volets roulants extérieurs utilisés comme brise-soleil et/ou contre l’éblouissement induiront dans la plupart des cas l’allumage de l’éclairage artificiel et donc l'augmentation des charges internes ! Des solutions plus légères comme les films solaires apposés sur les vitrages peuvent également conduire à l'augmentation des besoins d'éclairage artificiel.

Éteindre totalement les ordinateurs, les imprimantes et les traceurs…oui bien sûr, mais uniquement pendant les congés !

En période d’activité, il est important de couper les PC, les moniteurs et les imprimantes et de faire la chasse aux veilles qui sont très énergivores en plus de réchauffer l’air, au minimum pendant la nuit et les pauses.

Si une pause de 10 minutes ne justifie pas toujours d’éteindre un PC, une pause de 30 minutes nécessite au moins de le passer en veille, une réunion d’une heure implique de l’éteindre.

Pour améliorer le fonctionnement des ordinateurs l’été il faut prévoir des emplacements « aérés » pour les unités centrales de PC et disposer les PC portables sur des supports optimisés pour les flux d'air : ces précautions, associées à un dépoussiérage régulier, limiteront le risque de surchauffe des ordinateurs, qui dissiperont un peu moins de chaleur pour leur refroidissement.

La sensibilisation des occupants reste un pilier important du confort en été. Cela regroupe d’abord le rappel de la course solaire et en conséquence le fonctionnement des protections solaires.

• la nécessité de protéger les vitrages avant que le soleil ne donne dessus,
• les recommandations sur les courants d’air,
• les recommandations sur les outils bureautiques et l'éclairage,
• rappeler qu'il est possible, voire souhaitable, d'ouvrir les fenêtres.

Le non recours à la climatisation nécessite aussi que les attentes des usagers évoluent : accepter d’avoir un peu chaud pendant quelques jours peut souvent être envisagé si le bâtiment est aéré, agréable, confortable et que l'objectif est compris et partagé par tous.

L’acceptation des usagers est donc nécessaire pour rendre possible la réalisation de bureaux sans climatisation. Cependant, une fois obtenue, traiter le confort d’été en bureaux sans climatisation active est à la portée de tous, sous réserve de respecter quelques règles clefs de conception. Dès lors, les bénéfices sont nombreux : réduction de l’empreinte énergétique, réduction des coûts d’investissement et d’exploitation, amélioration de l’impact environnementale du projet, etc.

Par Olivier GUILLEMOT
Directeur du BET POLENN et consultant certifié PassivHaus

Sources & liens

• BET POLENN - Ingénierie de la performance énergétique